戴浩宇, 董智超, 江 雷

(1. 中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所, 綠色印刷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190;2. 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所, 仿生材料與界面科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190)

生命活動(dòng)和生產(chǎn)技術(shù)都離不開(kāi)對(duì)液體的控制, 而對(duì)液滴移動(dòng)的控制又是其中非常重要的一個(gè)研究領(lǐng)域[1,2]. 自然界對(duì)液滴移動(dòng)的控制方法是利用具有表面能梯度或結(jié)構(gòu)梯度的表面驅(qū)動(dòng)液滴的自發(fā)運(yùn)動(dòng), 如仙人掌刺定向收集水、 豬籠草捕蟲(chóng)籠的口緣自發(fā)形成潤(rùn)滑層及蜘蛛絲的紡錘狀結(jié)構(gòu)收集霧氣等[3～5]. 受到這些自然界生物的啟發(fā), 科學(xué)家們通過(guò)仿生設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出控制液滴移動(dòng)的方法, 如使液體流過(guò)微針、 微槽道或紡錘節(jié)等[6～8]. 為了克服在自然界中沒(méi)有外部能量攝入情況下, 液滴移動(dòng)速度低、 有損耗及不可控的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能等不足, 研究者使用諸如熱、 光、 電和磁等外場(chǎng)刺激信號(hào)[9～12], 對(duì)液滴的移動(dòng)進(jìn)行更加全面、 靈活的操縱. 電場(chǎng)操控液滴具有響應(yīng)速度快、 運(yùn)動(dòng)速度快和路徑可控等優(yōu)點(diǎn), 使其在諸多外場(chǎng)刺激驅(qū)動(dòng)的液滴移動(dòng)策略中脫穎而出, 受到廣泛關(guān)注, 并在智能微流體器件等實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用. 利用電場(chǎng)作用靈活、 有效地控制表面浸潤(rùn)性和液滴移動(dòng)的方法, 稱為電潤(rùn)濕(Electrowetting)[13～15]. 電潤(rùn)濕的初步發(fā)展可以追溯到1875年, Lippmann[16]發(fā)現(xiàn)在汞與電解液之間施加一個(gè)電壓(汞/電解液)可以觀察到液體毛細(xì)上升, 并稱之為電毛細(xì)現(xiàn)象. 基于這一現(xiàn)象, 此后近百年來(lái), 研究者獲得了許多發(fā)現(xiàn), 如1936年, Froumkin[17]利用表面電荷改變水滴的形狀; Minnema等[18]在1980年研究了聚乙烯高壓電纜中的水樹(shù)枝化的機(jī)理. 1981年, 電潤(rùn)濕一詞由Beni和Hackwood[19]首次提出, 用于描述一種新型顯示器設(shè)計(jì)時(shí)所使用的效應(yīng). 然而, 水在幾百毫伏以上的電壓下會(huì)發(fā)生電解水反應(yīng), 從而對(duì)相關(guān)研究產(chǎn)生阻礙. 為了解決這一問(wèn)題, 1993年Berge等[20]在原有的電潤(rùn)濕裝置中的導(dǎo)電液體與電極之間引入了一層薄的絕緣層, 避免了水的電解. 這種電潤(rùn)濕裝置被稱為電介質(zhì)上的電潤(rùn)濕(Electrowetting on dielectric, 簡(jiǎn)稱EWOD). 20余年來(lái), EWOD的快速發(fā)展使電控液滴移動(dòng)的各項(xiàng)性能均提高到了較高水平[21～26]. 隨著超疏水、 超親水等超浸潤(rùn)性表面的制備和快速發(fā)展[27～36], EWOD以外的新型電控液滴移動(dòng)策略如靜電操縱液滴[37]和表面電荷密度梯度引導(dǎo)液滴[38]的研究開(kāi)始引起廣泛關(guān)注. 本文對(duì)傳統(tǒng)電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)液滴移動(dòng)的基本原理和研究進(jìn)展進(jìn)行了綜合概述, 簡(jiǎn)單介紹了新型電控液滴移動(dòng)的代表性成果, 總結(jié)了相關(guān)研究的規(guī)律并展望了相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展前景.

1 傳統(tǒng)電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)液滴移動(dòng)

近百年來(lái), 電潤(rùn)濕一直是電控液滴移動(dòng)的傳統(tǒng)策略. 電潤(rùn)濕在光滑平面、 電介質(zhì)以至粗糙電介質(zhì)上的基本原理逐漸得到發(fā)展, 液滴在電潤(rùn)濕的驅(qū)動(dòng)作用下可以在電介質(zhì)及其它界面上移動(dòng), 甚至于在數(shù)字微流體上完成電控退潤(rùn)濕, 本部分將對(duì)以上內(nèi)容進(jìn)行概述.

1.1 電潤(rùn)濕的基本原理

對(duì)于一個(gè)在一定的壓力和溫度下的固-液-氣系統(tǒng), 液滴可以在界面張力下達(dá)到平衡, 其平衡接觸角可以用Young’s方程來(lái)描述:

(1)

式中:θY(°)為Young’s接觸角;γSV,γSL和γLV(N/m)分別為固-氣、 固-液和液-氣界面的張力.

當(dāng)施加一個(gè)電場(chǎng)時(shí), 水滴的平衡接觸角值增大, 浸潤(rùn)性發(fā)生改變, 這種效應(yīng)稱為電潤(rùn)濕. 最初的電潤(rùn)濕是源于Lippmann[16]對(duì)電毛細(xì)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn), 即在汞與電解液之間的電壓作用下, 液體發(fā)生了毛細(xì)上升[圖1(A)]. Lippmann用一個(gè)在固-液界面施加電壓的平行板電容器解釋了這一現(xiàn)象. 積累的電荷改變了固-液界面張力, 可表示為

(2)

(3)

式中:σe(c/m2)為表面電荷密度;V(V)為施加電壓;CH(F/m2)為電雙層每單位面積的電容.

根據(jù)式(2)和(3)得到

(4)

式中:γSL和γSL0(N/m)分別為施加和不施加電壓時(shí)的固-液界面張力. 這是電潤(rùn)濕的初始方程, 也是目前電潤(rùn)濕研究發(fā)展的基礎(chǔ). 由式(4)可知, 在固/液相組成不變的情況下, 固-液界面張力隨液-固界面電壓的增大而減小[圖1(B)].

Fig.1 Schematic diagrams of the electrocapillary and electrowetting(A) Initial electrocapillary phenomenon; (B) water shape change on the metal surface under an applied voltage; (C) electrowetting on smooth insulator surface; (D) electrowetting on rough insulator surface.

為了避免水在電潤(rùn)濕過(guò)程中發(fā)生電解, Berge[20]在電潤(rùn)濕裝置中的液體與電極之間引入了絕緣體[圖1(C)], 并由式(1)和(4)分析推導(dǎo)出接觸角的演化過(guò)程:

(5)

式中:θ和θ0(°)分別為施加和不施加電壓時(shí)的接觸角. 考慮到如下關(guān)系:

(6)

式中:ε0和ε1(F/m)分別為真空和液體的介電常數(shù);d(m)為絕緣層厚度. 電潤(rùn)濕方程為

(7)

式(7)中的末項(xiàng)為電潤(rùn)濕常數(shù)(η):

(8)

即靜電勢(shì)與液-氣界面張力之比. 式(7)首先由Berge通過(guò)能量最小化法在不存在電荷捕獲的情況下得到, 也稱為L(zhǎng)ippmann-Young方程. 若存在電荷捕獲對(duì)水溶液電潤(rùn)濕現(xiàn)象的影響[39], 則電潤(rùn)濕方程中應(yīng)加入VT值, 調(diào)整為

(9)

式中:VT(V)為需要補(bǔ)償電荷捕獲影響的電壓, 即電潤(rùn)濕臨界電壓.

在實(shí)際應(yīng)用中, 幾乎所有的基底都是粗糙的, 具有一些微/納米尺度的結(jié)構(gòu), 無(wú)論是否施加電壓都可以增強(qiáng)基底表面的浸潤(rùn)性. 2006年, Herbertson等[40]研究了具有特氟龍涂層的SU-8粗糙表面的接觸角隨電壓的變化[圖1(D)], 并結(jié)合Wenzel方程和Lippmann-Young方程解釋了電潤(rùn)濕現(xiàn)象:

cosθe=R(cosθ0+η)

(10)

式中:R為特氟龍涂層表面的粗糙度. 如果電壓被移除,η=0, 上述方程可以簡(jiǎn)化為Wenzel方程. 2008年, Zhao等[41]進(jìn)一步泛化了電潤(rùn)濕方程以適合Cassie-Baxter方程的形式:

cosθe=R1f1(cosθ0+η)-f2

(11)

該方程描述了電潤(rùn)濕過(guò)程中液-氣-固界面接觸角的變化. 當(dāng)η=0時(shí), 式(11)可以簡(jiǎn)化為有粗糙度的Cassie-Baxter方程; 如果固體與液體之間的粗糙度不考慮, 即R1=1, 則式(11)簡(jiǎn)化為同質(zhì)表面的Cassie-Baxter方程; 而對(duì)于沒(méi)有封閉氣穴的粗糙表面,f2=0, 式(11)簡(jiǎn)化為Wenzel方程; 用相似的處理方法, 對(duì)于光滑表面而言,R1=f1=1,f2=0, 式(11)簡(jiǎn)化為L(zhǎng)ippmann-Young方程.

通過(guò)電潤(rùn)濕, 可以在變化的二維陣列電極或表面上實(shí)現(xiàn)液滴驅(qū)動(dòng), 如分離、 合并、 混合和運(yùn)輸. 由于具有原位控制、 響應(yīng)速度快、 操縱靈活及能耗低等優(yōu)點(diǎn), 電潤(rùn)濕技術(shù)在光學(xué)、 顯示、 芯片實(shí)驗(yàn)室、 打印和分離等微流體領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[42～46].

1.2 電介質(zhì)上的電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)液滴移動(dòng)

電介質(zhì)上的電潤(rùn)濕是一個(gè)用于控制微尺度的流體運(yùn)動(dòng)以創(chuàng)造、 運(yùn)輸、 切割和合并液滴的重要工具, 在液滴驅(qū)動(dòng)、 液體運(yùn)輸、 液體透鏡、 顯示器件和打印等微流體領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景[47～56]; 而這些應(yīng)用的基礎(chǔ)研究背景主要是基于電介質(zhì)上的電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)的液滴移動(dòng).

Fig.2 Droplet motion controlled by EWOD in microfluidic chip with solid insulation layer(A)[57] and with liquid insulation layer(B)[58]

對(duì)于一個(gè)停留在絕緣層上的液滴, 僅在其一側(cè)施加電場(chǎng)會(huì)造成液滴兩側(cè)表面張力的不平衡, 從而驅(qū)動(dòng)液滴的整體流動(dòng), 這就是電介質(zhì)上電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)液滴移動(dòng)的原理. Pollack等[57]構(gòu)建了基于電介質(zhì)上的電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)液滴移動(dòng)的微流體裝置. 液滴被夾在2個(gè)電極平面之間, 上面板包含一個(gè)連續(xù)的接地電極, 而下面板則包含一組獨(dú)立可尋址的控制電極, 每個(gè)控制電極的大小略小于液滴, 當(dāng)液滴集中在一個(gè)電極上時(shí), 也會(huì)輕微地覆蓋所有相鄰的電極[圖2(A)]. 2個(gè)面板表面都是疏水的, 控制電極與液體絕緣. 對(duì)與液滴部分重疊的下面板上的電極施加足夠電壓, 產(chǎn)生的表面能梯度會(huì)使液滴移動(dòng), 使其與帶電電極對(duì)齊. 通過(guò)連續(xù)電極轉(zhuǎn)移, 液滴可以在陣列內(nèi)任意2個(gè)電極之間運(yùn)輸. 由于控制電極與液體絕緣, 通電產(chǎn)生的熱量和電化學(xué)反應(yīng)都被阻止了. 由于其微驅(qū)動(dòng)裝置的基本結(jié)構(gòu)相同, 不同的驅(qū)動(dòng)電壓與電極排列方式的組合可以使該裝置完成其它操作, 如從較大的原液滴中分離、 合并或分配微液滴.

基于Pollack等[57]提出的利用電介質(zhì)上的電潤(rùn)濕開(kāi)發(fā)的靈活的微流體系統(tǒng)允許液體以液滴的形式在固體表面運(yùn)輸, 但難以克服液滴與固體表面接觸、 黏附而導(dǎo)致的損失或污染. Velev等[58]開(kāi)發(fā)了一個(gè)液-液微流體系統(tǒng)[圖2(B)], 將微升或納升尺寸的水或碳?xì)浠衔镆旱螒腋≡诿芏雀叩娜蜕? 并通過(guò)油相下的陣列電極施加交流或直流電場(chǎng), 激發(fā)出介電泳力, 將可極化的液滴吸引到高場(chǎng)強(qiáng)的區(qū)域, 從而實(shí)現(xiàn)液滴無(wú)損、 高速、 定向的理想運(yùn)輸. 這些微流體芯片的構(gòu)筑模型可以為微尺度液體運(yùn)輸、 混合或分裝等重要生產(chǎn)過(guò)程提供新策略.

1.3 其它界面上的電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)液滴移動(dòng)

電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)的液滴移動(dòng)不僅可以發(fā)生在數(shù)字微流體裝置中, 還可發(fā)生在其它界面上. Liu等[59]提出了電化學(xué)電位誘導(dǎo)的水下油滴運(yùn)動(dòng). 油滴在正電壓下黏附在聚吡咯表面, 油滴的水下接觸角隨著黏附力的減小而增大, 并在重力作用下在還原的聚吡咯膜上向下滾動(dòng), 在膜上施加一個(gè)正電壓可以再次使油滴停止. Tian等[60]在梯度多孔聚苯乙烯(PS)膜上實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)誘導(dǎo)的水下油滴定向移動(dòng). 當(dāng)水下油滴停留在梯度多孔PS膜表面時(shí), 油滴兩端壓力不平衡, 使油滴形狀不對(duì)稱[圖3(A)]. 提高電壓可以有效減小油滴與梯度結(jié)構(gòu)表面的接觸面積, 克服多孔PS膜表面的黏性阻力. 一旦超過(guò)臨界電壓, 水下油滴就可以從大孔隙區(qū)域向小孔隙位點(diǎn)定向連續(xù)移動(dòng). 該工作為連續(xù)驅(qū)動(dòng)和控制水下液滴的定向移動(dòng)提供了途徑, 為進(jìn)一步在電流體顯示和其它微流體器件中的應(yīng)用提供了依據(jù).

Fig.3 Electrowetting controlled underwater droplet motion(A) Electric field and gradient microstructure cooperatively drive underwater oil droplet for directional motion[60]; (B) electric field induced unidirectional motion of an underwater fluid droplet on a porous structured wire[65].

此外, 液滴在楔形表面和功能纖維上的電潤(rùn)濕也有相關(guān)報(bào)道[61,62]. Mugele等[63,64]研究了液滴在纖維上從蛤殼到酒桶形狀的可逆轉(zhuǎn)變, 并證明了這2種形態(tài)的穩(wěn)定性極限, 這對(duì)設(shè)計(jì)用于各領(lǐng)域的功能材料具有指導(dǎo)意義. 最近, Yan等[65]提出了一種通過(guò)電場(chǎng)誘導(dǎo)的黏附轉(zhuǎn)變和浮力相結(jié)合, 在多孔聚苯乙烯(PS)覆膜銅線表面收集和單向運(yùn)輸水下油滴或氣泡的策略[圖3(B)]. 多孔PS覆膜銅線可以在未施加電壓的情況下捕獲并持有一個(gè)水下油滴或氣泡, 也可以在電壓大于其臨界電壓的情況下讓水下油滴或氣泡在多孔PS覆膜銅線表面向上或向下單向移動(dòng). 該工作將有助于發(fā)展顯示基于電潤(rùn)濕變化的器件, 用于流體收集、 操縱、 單向轉(zhuǎn)移、 釋放和清除.

1.4 數(shù)字微流體的電控退潤(rùn)濕

值得一提的是, 除了備受關(guān)注的電潤(rùn)濕研究在近年來(lái)得到了長(zhǎng)足發(fā)展, 有關(guān)電控退潤(rùn)濕甚至電控退潤(rùn)濕后液滴再潤(rùn)濕的研究同樣取得了顯著成果并引起了廣泛關(guān)注. Li等[66]將含有十二烷基三甲基溴化銨(DTAB)的水滴(pH=7)鋪展在高度摻雜硅片的光滑表面上. 基底上的天然硅氧化物具有足夠的親水性, 可以使水滴很容易在其上面潤(rùn)濕, 2 nm的厚度也不會(huì)使導(dǎo)電基底絕緣. 液滴中含有由帶電的親水基團(tuán)和中性的疏水尾區(qū)組成的離子表面活性劑, 當(dāng)施加直流電壓(或電流)時(shí), 電流流過(guò)導(dǎo)電液體, 在液滴內(nèi)形成電場(chǎng), 離子表面活性劑分子在電場(chǎng)作用下會(huì)向基底移動(dòng)或遠(yuǎn)離基底, 分別使液滴在基底表面上退潤(rùn)濕或再潤(rùn)濕(圖4). 在潤(rùn)濕過(guò)程中, 隨著接觸線的前進(jìn), 被吸附的表面活性劑分子從液滴外的新鮮表面被吸回液滴, 使該過(guò)程具有可逆性, 可以實(shí)現(xiàn)液滴的定向移動(dòng). 該系統(tǒng)既不需要增加電介質(zhì)層, 也不需要疏水性涂層, 又有利于簡(jiǎn)化設(shè)備和降低成本.

Fig.4 Droplet transportation realized by ionic-surfactant-mediated electrodewetting mechanism[66](A) Mechanism of a DTAB-containing aqueous droplet dewetting and rewetting on a conductive and hydrophilic silicon substrate by a reversible electric field; (B) dewetting the third reservoir electrode from left results in necking of the reservoir droplet; (C) sets of four sequential images showing droplet transportation by electrodewetting.

2 新型電控液滴移動(dòng)

傳統(tǒng)的電潤(rùn)濕策略在數(shù)十年來(lái)得到的發(fā)展已經(jīng)將控制液滴移動(dòng)的各方面性能都提高到了較高水平. 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 新型的電控液滴移動(dòng)策略脫穎而出, 如靜電操縱液滴可控高速運(yùn)動(dòng)和表面電荷密度梯度引導(dǎo)液滴移動(dòng), 本部分將對(duì)新型電控液滴移動(dòng)的代表性成果進(jìn)行介紹.

2.1 靜電操縱液滴可控高速運(yùn)動(dòng)

以電潤(rùn)濕原理為基礎(chǔ)的數(shù)字陣列化電極微流體裝置已被證明可以有效控制液滴移動(dòng), 而如電暈放電、 摩擦起電等無(wú)回路、 非接觸式的靜電作用則可使物體極化[67,68], 也可提供強(qiáng)大的動(dòng)力[69,70], 同樣可以控制液滴的移動(dòng). Dai等[37]提出了一種高速、 可控、 無(wú)損的“全能型”液滴操縱策略, 即在靜電場(chǎng)的作用下, 實(shí)現(xiàn)液滴在超疏水表面上任意方向的運(yùn)動(dòng)和停止/釘扎. 同時(shí), 利用平面外的靜電充電方法, 實(shí)現(xiàn)了液滴啟動(dòng)狀態(tài)和停止?fàn)顟B(tài)的可控動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換. 利用這種新型的電控液滴移動(dòng)策略, 可實(shí)現(xiàn)超疏水平面上路徑可控的弧線形運(yùn)動(dòng)和定向的液滴移動(dòng)、 融合(圖5). 這種靜電操縱策略將有助于提高液體無(wú)損運(yùn)輸?shù)乃俣? 減少摩擦, 降低不必要的黏附, 開(kāi)拓了液滴控制技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用的可能性, 如組合化學(xué)和生化檢測(cè)等.

Fig.5 Controllable high-speed electrostatic manipulation of water droplet[37](A) Digital in-plane electrostatic fluidic operations displaying droplet motion in a desired “snooker” style path; (B) Directional droplet merging achieved by electrostatic charging.

靜電操縱液滴移動(dòng)的策略不僅可以實(shí)現(xiàn)液滴在平面內(nèi)的可控高速運(yùn)動(dòng), 還可以實(shí)現(xiàn)液滴從平面向外的彈道發(fā)射運(yùn)動(dòng). 受到球孢子從蘑菇表面發(fā)射的啟發(fā)[71], Li等[72]證明了預(yù)置在超疏水表面上的液滴可以通過(guò)瞬時(shí)的靜電作用實(shí)現(xiàn)高速的彈道式跳躍. 利用這種策略, 水、 過(guò)冷水甚至有黏性的乙二醇等液滴均可以從超疏水表面上發(fā)射, 并可以通過(guò)調(diào)整液滴在靜電場(chǎng)內(nèi)的位置來(lái)精確控制液滴發(fā)射方向(圖6). 利用簡(jiǎn)單的靜電作用, 即能獲得超潔凈的超疏水表面.

Fig.6 Ballistic jumping drop on superhydrophobic surface via electrostatic manipulation[72](A) Schematic demonstrating the droplet jumping off the surface along the electric field line motivated by an electrostatic tip; (B) droplet centroid positions during the ballistic jumping process; (C) high speed image sequences of the left tilted, vertical and right tilted jumping droplet from top view and side view.

圖7將傳統(tǒng)的電潤(rùn)濕與新型的靜電充電策略進(jìn)行了對(duì)比. 首先, 從浸潤(rùn)狀態(tài)看, 電潤(rùn)濕是將一個(gè)半球形的液滴在親水態(tài)與疏水態(tài)之間轉(zhuǎn)換, 液滴與基底是部分潤(rùn)濕的[73～75]; 靜電充電是將一個(gè)球形的液滴在高黏附的Cassie-Wenzel過(guò)渡態(tài)與低黏附的Cassie態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換, 液滴與基底是完全不潤(rùn)濕的. 其次, 從運(yùn)動(dòng)性能看, 電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)的液滴是在基底上電極之間非連續(xù)地滑動(dòng), 要消耗能量克服一定的摩擦阻力, 路徑由電極位置決定[76～79]; 靜電充電驅(qū)動(dòng)的液滴則是在基底上連續(xù)滾動(dòng), 耗能低, 可以根據(jù)需要在任何路徑上快速無(wú)損地移動(dòng)或急停. 最后, 從設(shè)備需求方面看, 電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)液滴需要一套完整的數(shù)字電路微流體裝置, 至少要2個(gè)或多個(gè)電極, 在液滴移動(dòng)過(guò)程中需要液滴與電極上的電介質(zhì)保持接觸[80～83]; 靜電充電驅(qū)動(dòng)液滴僅需一個(gè)放電電極, 甚至可以用一根摩擦過(guò)的帶電短棒作為動(dòng)力源, 在液滴移動(dòng)過(guò)程中不與液滴接觸. 綜合以上因素, 盡管電潤(rùn)濕控制液滴移動(dòng)在精準(zhǔn)性和數(shù)字化程度上占有一定的優(yōu)勢(shì), 但新型的靜電操縱液滴移動(dòng)策略因其快速、 無(wú)損、 可控的全能型特點(diǎn), 成為一種被認(rèn)可的、 可以選擇的電控液滴移動(dòng)方法, 有望在未來(lái)得到深入研究.

Fig.7 Schematic diagrams of the comparison between electrowetting and electrostatic charging(A) and (B) Differences in droplet wetting states changing in vertical directions; (C) and (D) differences in operating skill and droplet motion properties in horizontal directions.

Fig.8 Droplet transport mediated by surface charge density gradient[38](A) Droplet self-propulsion on a superhydrophobic surface decorated with an SCD gradient; (B) the time-lapse trajectory of circular arc droplet motion guided by a circular arc SCD gradient path; (C) droplet transport on flexible surfaces with an SCD gradient.

2.2 表面電荷密度梯度驅(qū)動(dòng)液滴移動(dòng)

除了用非接觸的靜電充電控制液滴移動(dòng)的策略, 近期, 一種在超疏水表面上預(yù)設(shè)具有表面電荷密度梯度(SCD)的路徑來(lái)引導(dǎo)液滴移動(dòng)的方法引起了關(guān)注. 如圖8所示, Sun等[38]通過(guò)控制撞擊高度的連續(xù)變化, 打印出具有表面電荷密度梯度的特定路徑, 引導(dǎo)水滴的自推進(jìn), 實(shí)現(xiàn)了液滴在不依靠外部能量供給的情況下快速、 長(zhǎng)程、 無(wú)損的運(yùn)輸. 除了平面上直線的電荷密度梯度路徑, 液滴還可以實(shí)現(xiàn)在弧線電荷密度梯度路徑上的移動(dòng)以及曲面電荷密度梯度路徑上的移動(dòng). 這種打印表面電荷的方法可以用于開(kāi)發(fā)新的傳感和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng), 包括芯片實(shí)驗(yàn)室、 微流體器件和生物液滴分析裝置.

因基底帶電而對(duì)液滴產(chǎn)生黏附性的變化的相關(guān)工作此前也有報(bào)道. Zhao等[84]提出了通過(guò)直流偏壓實(shí)現(xiàn)水滴在超疏水二氧化錳納米管陣列(MTA)薄膜上的電可調(diào)黏附. 這歸因于水滴與二氧化錳納米管陣列之間接觸時(shí), 水滴的幾何變化和三相接觸線的連續(xù)性依賴于極性[85], 而陰極處的表面黏附力比陽(yáng)極處大得多[圖9(A)]. 而利用表面打印電荷的策略, Sun等[38]設(shè)計(jì)了無(wú)槍頭式移液槍, 可用于低表面能、 高黏度液滴的無(wú)損轉(zhuǎn)移[圖9(B)].

Fig.9 Controllable transfer of a water droplet between superhydrophobic MTA membranes(A)[84] and charged surfaces(B)[38]

3 總結(jié)與展望

電控液滴移動(dòng)是一種通用、 高效、 靈活地利用電場(chǎng)作用驅(qū)動(dòng)并控制液滴運(yùn)動(dòng)的策略, 經(jīng)過(guò)140余年的發(fā)展, 液滴移動(dòng)已達(dá)到原位可控、 方向任意及高速無(wú)損的極高水平. 本文從發(fā)展歷程、 基本原理到先進(jìn)應(yīng)用總結(jié)了傳統(tǒng)電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)液滴移動(dòng)的策略, 介紹了靜電操縱液滴和表面電荷密度梯度引導(dǎo)液滴等新型電控液滴移動(dòng)的代表性成果, 對(duì)于新、 老電控液滴移動(dòng)策略從浸潤(rùn)狀態(tài)、 運(yùn)動(dòng)特性及裝置需求等方面進(jìn)行了比較, 綜合概述了電控液滴移動(dòng)領(lǐng)域的研究進(jìn)展. 盡管電控液滴移動(dòng)的研究已經(jīng)取得了顯著成果, 該領(lǐng)域仍然存在很多基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題需要深入研究, 并通過(guò)先進(jìn)的制備技術(shù)推進(jìn)其發(fā)展. 如何將EWOD成熟的數(shù)字化微流體系統(tǒng)與靜電操縱液滴、 表面電荷密度梯度引導(dǎo)液滴等策略結(jié)合, 開(kāi)發(fā)出基底、 電極均可編程的全能型液滴操縱技術(shù); 如何將具有先進(jìn)性能的微/納米結(jié)構(gòu)超浸潤(rùn)表面與電響應(yīng)性界面相結(jié)合, 根據(jù)不同需求控制液體流動(dòng); 如何將電場(chǎng)對(duì)液滴的作用克服重力的影響, 突破維度限制真正實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)液滴的操縱和圖案化顯示, 這些研究將是對(duì)界面物理化學(xué)工作者的全新挑戰(zhàn)和機(jī)遇.